Немножко про CP-нарушение, или Как жаль, что у нас нет детекторов из антивещества!

Пару недель назад коллаборация DZero, работающая на Тэватроне, объявила о том, что она «видит» новую аномалию в рождении мюонов — асимметрию между вероятностью рождения положительных и отрицательных мюонов (см. саму статью, пресс-релиз Фермилаба, реакцию в физических блогах). Коллаборация провела тщательный анализ всех возможных инструментальных погрешностей и заявляет, что на них полностью эффект списать не удается. Значит, говорят авторы, мы имеем дело с реальным эффектом, источником которого является CP-нарушение в нейтральных B-мезонах (немножко про CP-нарушение см. в конце поста).

В принципе, CP-нарушение детектировалось и раньше, но оно всегда оставалось очень маленьким и было более-менее в рамках того, что предсказывала Стандартная модель в физике элементарных частиц. Сейчас же получен эффект примерно в 40 раз больше, чем предсказания Стандартной модели (асимметрия примерно в 1% против 0,023%). Если это реальный эффект, а не артефакт, то это означает первый взгляд в доселе неизвестный мир какие-то совсем новых частиц или взаимодействий — то, что так давно ищут физики.

Правда, физики встретили это сообщение довольно прохладно. Статистическая значимость эффекта — чуть больше 3 стандартных отклонений, не бог весть какая большая. И кроме того, буквально неделю спустя другой эксперимент, работающий на Тэватроне — CDF — доложил на конференции результат про CP-нарушение в B_s-мезонах, хорошо согласующийся со Стандартной моделью (см. подробности в блоге Resonaances) — и значит, ставящий под сомнение интерпретацию DZero. Чем всё это окончится, пока непонятно. Может быть там есть новая физика, может быть это чистый артефакт очень сложной обработки данных, а может быть, ситуация зависнет в состоянии, когда никто так ничего и не понял — как это по сути произошло с сенсационным заявлением CDF полуторагодичной давности о наблюдении мюонных струй.

Но я тут хочу подчеркнуть вовсе не это, а один маленький, но любопытный момент, специфический именно для изучения CP-нарушения — в противовес всем другим измерениям в детекторах.

Когда мы изучаем слабенькую асимметрию между веществом и антивеществом, мы, естественно, стараемся ставить эксперимент максимально зарядово-симметрично — просто чтобы не привнести в данные детектора какой-то внешний дисбаланс между частицами и античастицами. Тот факт, что на Тэватроне сталкиваются именно протоны и антипротоны, как раз этой цели помогает.

Но вот дальше — беда! Дело в том, что весь наш мир, в том числе и сам детектор, состоит из вещества. У нас просто нет возможности построить детектор, состоящий поровну из материи и антиматерии. И вот это вопиющее 100% неравноправие между материей и антиматерией можно привести (и приводит) к чисто инструментальным эффектам, которые максируют собой CP-нарушение и от которых надо избавляться.

Вот конкретный механизм. Мы регистрируем мюоны обоих знаков, μ⁺ и μ⁻, и проверяем, есть ли дисбаланс между частотой их рождения.
Мюоны регистрируются на окраине детектора — это стандартный способ отделить мюоны от других частиц. Зарегистрированные мюоны могли родиться как в самом центре, в месте стокновения протонов, так и при распаде какой-то долгоживущей частицы, которая вылетела из центра, пролетела пару метров и распалась с испусканием мюона уже где-то внутри детектора.

Главными кандидатами для таких промежуточных частиц являются K⁺ и K⁻-мезоны, которые при распаде могут испускать μ⁺ и μ⁻, соответственно. Пока всё симметрично. Но пролетая сквозь вещество (не антивещество!) детектора, эти K⁺ или K⁻ могут просто столкнуться с ядрами, и тогда никакого мюона они уже не породят. Так вот, K⁺ продирается через вещество легче, чем K⁻. Так происходит потому, что K⁻ содержит s-кварк, а K⁺ — анти-s-кварк. При столкновении каона с протоном (или нейтроном), s-кварк с удовольствием перескакивает на него в обмен на d-кварк, объединяется с его uu-(или ud)-кварками и образует какой-нибудь гиперон. А анти-s-кварк такого себе позволить не может — он «анти», он не объединяется с кварками. Поэтому K⁻ испытывает более сильное поглощение в веществе.

В итоге даже если изначально был одинаковый поток K⁺ и K⁻, в веществе K⁻ исчезает быстрее, а значит, дает меньше μ⁻. В результате из-за чисто инструментального эффекта мы видим больше μ⁺, чем μ⁻. Подобные эффекты сильно затрудняют поиск истинного CP-нарушения, и чтобы отличить его от такого искусственного дисбаланса, надо досконально знать поведение своего детектора и иметь тщательно отлаженные программы моделирования того, как частицы проходят сквозь него.

Ну и наконец краткая справка про CP(«цэпэ»)-нарушение.

Ему можно дать четкое определение через преобразования, но по большому счету, это просто несимметрия между веществом и антивеществом. До ее экспериментального обнаружения в 1960-е годы физики думали, что такого быть не может, потому что такое неравноправие казалось слишком уж противоестественным. Как оказалось, оно берется только за счет слабого взаимодействия, и впоследствии было понято, как его можно включить в теорию (именно за это дали половину Нобелевской премии по физике за 2008 год).

Вообще, CP-нарушение — это слабый эффект; для того, чтобы его увидеть, надо исследовать редкие распады мезонов и слабенькие асимметрии. Тем не менее, CP-нарушение абсолютно важно для самого существования нашего мира. В обозримой части Вселенной мы видим 100% доминирования вещества над антивеществом, но получилось так потому, что вначале в самой ранней и горячей Вселенной динамически возникло слабенькое преобладание вещества над антивеществом, на уровне примерно одна миллиардная. В результате остывания Вселенной почти все частицы проаннигилировали со своими античастицами, кроме очень малой доли вещества, которая так и осталась существовать. Из него в конце концов сложились звезды, планеты и мы сами.

Как именно это CP-нарушение возникло, никто не знает. Теорий много, но кто прав — пока непонятно. Выяснение этого вопроса — одна из задач Большого адронного коллайдера. Ясно только одно: тот уровень CP-нарушения, который есть в Стандартной модели, слишком слаб для того, чтоб породить мир таким, каков он есть. Именно поэтому теоретики и выдумывают разные теории с новыми источниками CP-нарушения — на жаргоне все эти теории в совокупности называют «Новая физика».

Экспериментально CP-нарушение проявляется в распадах нейтральных K-мезонов и B_d-мезонов. Там оно слабое. Теории намекают на то, что оно должно быть сильнее в распадах B_s-мезонов, но измерения в этой системе пока что оставались ненадежными. Более того, в последние пару лет в этой системе при росте накопленной статистики намечалось какое-то отклонение от Стандартной модели. Это и давало теоретическую лазейку — объяснить аномально сильную асимметрию DZero через B_s-мезоны. Но правда, CDF сейчас эту лазейку прибил — его измерения при большой накопленной статистике хорошо вписываются в Стандартную модель.